研究生文献阅读报告研—塑性成形

1、研究生文献阅读报告学 院：机械工程学院专业方向：轻金属加工理论与应用姓 名指导教师：20132014学年 上学期评 分 ： 年 月 日镁合金发展现状及未来趋势 第1章 绪论11 镁的特性1.1.1 镁的性质【1】 1】镁，化学符号Mg，是一种 IIA（第二主族）族轻质碱土金属元素，具有银白色光泽，略有延展性。镁的密度小，离子化倾向大。在空气中，镁的表面会生成一层很薄的氧化膜，使空气很难与它反应。镁和醇、水反应能够生成氢气。粉末或带状的镁在空气中燃烧时会发出强烈的白光。在氮气中进行高温加热，镁会生成氮化镁（Mg3N2）；镁也可以和卤素发生强烈反应；镁也能直接与硫化合。镁的检测可以用EDTA滴定法

2、分析。镁具有比较强的还原性，能与沸水反应放出氢气，燃烧时能产生眩目的白光，镁与氟化物、氢氟酸和铬酸不发生作用，也不受苛性碱侵蚀，但极易溶解于有机和无机酸中，镁能直接与氮、硫和卤素等化合，包括烃、醛、醇、酚、胺、脂和大多数油类在内的有机化学药品与镁仅仅轻微地或者根本不起作用。但和卤代烃在无水的条件下反应却较为剧烈（生成格氏试剂）镁能和二氧化碳发生燃烧反应，因此镁燃烧不能用二氧化碳灭火器灭火。镁由于能和N2和O2反应，所以镁在空气中燃烧时，剧烈燃烧发出耀眼白光，放热，生成白色固体。在食醋中的变化为快速冒出气泡，浮在醋液面上，逐渐消失。一些烟花和照明弹里都含有镁粉，就是利用了镁在空气中燃烧能发出耀眼

3、的白光的性质。铸造状态的镁的力学性能较低，常温下其抗拉强度为80110MPa，伸长率为6%8%，弹性模量为45GPa，泊松系数为0.33。1.2 镁的优势1.2.1镁的优点2-9 （1）镁合金比强度、比刚度高。在现有工程用金属中，镁的密度最小，是钢的1/5，锌的1/4，铝的2/3。普通铸造镁合金和铸造铝合金的刚度相同，因而其比强度明显高于铝合金。镁合金的刚度随厚度的增加而成立方比增加，故而镁合金制造刚性好的性能对整体构件的设计十分有利。（2）镁合金的韧性好、减震性强。镁合金在受外力作用时，易产生较大的变形。但当受冲击载荷时，吸收的能量是铝的1.5倍，因此，很适合应于受冲击的零件车轮；镁合金有很

4、高的阻尼容量，是避免由于振动、噪音而引起工人疲劳等场合的理想材料。（3）镁合金的热容量低、凝固速度快、压铸性能好。镁合金是良好的压铸材料，它具有很好的流动性和快速凝固率，能生产表面精细、棱角清晰的零件，并能防止过量收缩以保证尺寸公差。由于镁合金热容量低，与生产同样的铝合金铸件相比，其生产效率高40%50%，且铸件尺寸稳定，精度高，表面光洁度好。（4）镁合金具有优良的切削加工性。镁合金是所有常用金属中较容易加工的材料。加工时可采用较高的切削速度和廉价的切削刀具，工具消耗低。而且不需要磨削和抛光，用切削液就可以得到十分光洁的表面。（5）镁资源丰富，价格廉美。如前所述，世界镁资源丰富且随着科技的日益

5、发展，原镁的成本也快速下降，价格也不断降低。综上所述，镁资源丰富，镁合金有其独特的性能优势，是最轻的金属结构材料并且易回收，因此，镁被誉为“21世纪的绿色工程材料”。第2章 镁合金的发展概况2.1 镁及镁合金发展简史【10-12】 10-12】1808年,科学家戴维以汞为阴极电解氧化镁,在人类历史上第一次制取了金属镁。19世纪30年代,法拉第第一次通过电解氯化镁得到了金属镁。第一次世界大战开始之前,法国、德国、英国和加拿大都实现了镁的工业生产,但产量有限,大约年产量几百吨,主要用于军事方面。 19世纪80年代,才由德国首先建立工业规模上的电解槽,电解无水光卤石生产氯化镁,从此开创了电解法炼镁的

6、工业化时代。后经不断在工艺和设备方面的改进,直到目前世界上采用的就是这种电解法。 电解法炼镁的原理是在高温下电解熔融的无水氯化镁,使之分解成金属镁和氯气。高温情况下水对熔盐性质的影响是致命的,因此,高纯度的无水氯化镁是电解法制镁关键所在。依据所用原料及处理原料的方法不同,电解法炼镁又可细分为以下几种具体的方法:道乌法、氧化镁氯化法、光卤石法、AMC法、诺斯克法。 电解法因为其生产工艺先进,能耗较低的优点,是一种极具发展前景的炼镁方法。目前,发达国家80%以上的金属镁是通过电解法生产。 由于金属镁的需求越来越大,电解法生产金属不能够满足镁的需求,因此催生了金属镁的热还原法冶炼。第二次世界大战期间

7、,热还原法生产镁的技术迅速发展起来。 使用硅作为还原剂还原氧化镁实现于1924年,但此时还未应用于工业生产。第二次世界大战期间,意大利科学家发明了在真空高温炉内用硅铁还有白云石生产镁的工艺;同期,奥地利科学家发明了用碳直接还原氧化镁来生产镁的亨氏格技术。第二次世界大战以后,这些工艺用于工业化生产。 1941年加拿大教授L.M.皮江在渥太华建立了一个以硅铁还原煅烧白云石炼镁的试验工厂,获得了成功。1942年加拿大在安大略省的哈雷建成世界上第一座皮江法生产的硅热法厂(年产量5000t),并取得成功成为炼镁的第二大方法。为了纪念这位科学家的卓越成就,特命名为“皮江法”;又由于用硅铁作还原剂高温炼镁,

8、故又称为“硅热法”。皮江法经过不断改进,成为热还原法中使用最广泛的方法,也是目前世界上生产镁的主要方法之一。 皮江法炼镁的实质是在高温和真空条件下,有氧化钙存在时,通过硅(或铝)还原氧化镁生成镁蒸气,与反应生成的固体硅酸二钙(2CaO·SiO2)相互分离,并经冷凝得到结晶镁。该工艺过程可分为白云石煅烧、原料制备、还原和精炼四个阶段。2.2 国内外镁合金发展现状【13-16】 13-16】近年来,北美、欧洲和日本等发达国家相继加大了对镁合金开发与应用研究的投入。镁合金应用和研究重点开始从宇航和兵工等领域扩展到民用高附加值产业(如汽车、电脑、通信和家电等) 。特别是由于节能和环境保护的要

9、求,汽车将成为镁合金应用的重要领域。据报道9 ,使用镁合金结构件每辆汽车有减重150kg 的潜力,围绕镁合金材料的开发,争夺国际商业市场的竞争日趋激烈。为此,美国、德国、澳大利亚、日本等国都相继出台了各自的镁研究计划 。例如,美国的Rheo2molding 项目重点是研究镁合金件生产新工艺,并取得了一系列成果; 德国1997 年由联邦政府出资2500 万马克的MADICA (Magnesium Die Casting)镁合金研究开发计划,主要研究压铸镁合金工艺、快速原型化与工具制造技术、切削加工技术、连接技术和半固态成形工艺,并将镁合金应用于诸如汽车、计算机、航空航天等领域,从而提高德国在镁合

10、金应用方面的能力。1995 年“澳大利亚镁研究与发展计划”(简称AMRDP) 的协作研究项目由昆士兰金属公司、联邦政府和昆士兰州政府联合实施旨在发展镁金属制品的工业技术。目前, 世界各国正在加大镁及镁合金的生产。1999 年世界镁的消耗在40 万吨左右,预期在2005 年以前将达到55 万吨。镁合金公司(MAC) 正在刚果投资5. 14 亿美元,建成一家世界上最大的年产6 万吨的压铸镁合金厂,并计划于2003 年建成投产。澳大利亚目前有9 个镁项目正在研究和发展建设中。另外,以色利、日本、德国、英国、荷兰、俄罗斯等国家也已完成建新厂或正在扩大已有工厂的生产能力。为了降低轿车自重以减少汽油消耗,

11、提高轿车的使用性能,各大汽车公司对镁合金在汽车中的应用研究投入了极大的热情 ,纷纷积极投资镁合金冶炼基地,确保原材料的供应。世界头号汽车公司美国通用汽车公司与世界上第二大镁业公司挪威Norsk Hydro 镁业公司达成协议,就增加镁合金在汽车上的应用进行期合作,Norsk Hydro 镁业公司将稳定地长期向通用汽车公司提供所需镁合金和镁合金零部件。镁合金在电子器件中应用的增长就更快,日本松下、NEC、SON Y以及欧洲、美国、台湾等著名公司已经用镁合金制造便携式电脑、手提电话、摄录像机壳体,显示出了极强的竟争力 。我国目前在镁工业方面拥有三项“世界冠军”。第一是镁资源大国,储量居世界首位。在青

12、海盐湖蕴藏着氯化镁32 亿吨,硫酸镁16 亿吨。在辽宁、山西、宁夏、内蒙、河南等省区菱镁矿均有很大储量,仅辽宁大石桥一带的储量就占世界菱镁矿的60 %以上,矿石品位高达40 %。第二是原镁生产大国,2003 年我国共生产原镁3514 万吨,约占全球总产量的67 %。第三是出口大国,年产量80 %以上的镁出口到国际市场。尽管如此,我国的镁工业还存在着不少问题,主要表现在:1) 原镁生产技术比较落后,质量不够稳定,镁锭中的夹杂物和有害元素含量大大超标,难以满足压铸、板材轧制和冲压等高端产品的生产需求;2) 出口产品绝大多数是廉价的纯镁锭,镁合金出口比重只有15 %左右,镁合金制品出口则更是微乎其微

13、,因此出口利低效益差,而对于军工生产所需求的高性能镁合金板材和型材还需要从俄罗斯进口;3) 原创性的研究成果缺乏,目前出口的所有镁合金锭几乎全部按照国外的牌号生产,而且在镁合金产品加工中的关键技术和装备大部分依靠进口。中国镁合金产品的生产和应用现状是,镁合金的优势已经被许多企业所认识,在汽车、摩托车和3C 产业中镁合金已经开始获得应用,用户汽、一汽、二汽、奇瑞、隆鑫、海尔等,例如,一汽铸造有限公司AM50 镁合金方向盘骨架;镁合金压铸迅速增长,台湾、香港和大陆投资的镁压铸厂分布在几乎全国各地,各种压铸机数量超过50 台;变形镁合金加工开始起步。2000 年3 月,科技部启动了“镁合金开发应用及

14、产业化”的前期战略研究,并于2001 年8 月正式通过项目论证,将该项目列为“十五”国家科技攻关重大项目,国家投入经费4000 余万,全国共21 个省市区的4 个研究院所、7 所高校、20 多家企业直接参与了项目实施,最终目标是充分发挥我国的镁资源优势,通过技术集成创新和机制与体制创新,加强镁合金应用开发,建立具有国际竞争力的镁合金高新技术产业群,将镁资优势转化为经济优势。在“863”计划中,开展了耐热镁合金、变形镁合金、高强高韧镁合金及其应用技术研究。2.3 镁合金存在的问题及其发展趋势【17-21】 17-21】 镁合金面临的问题： （1）易燃性，镁元素与氧元素具有极大的亲和力，其在高温下

15、甚至还处于固态的情况下，就很容易与空气中的氧气发生反应，放出大量热，且生成的氧化镁导热性能不好，热量不能及时发散，继而促进了氧化反应的进一步进行，形成了恶性循环，而且氧化镁疏松多孔，不能有效阻隔空气中氧的侵入。（2）室温塑性差，镁属于密排六方晶体结构，其在室温下只有1个滑移面和3个滑移系，因此它的塑性变形主要依赖于滑移与孪生的协调动作，但镁晶体中的滑移仅发生在滑移面与拉力方向相倾斜的某些晶体内，因而滑移的过程将会受到极大地限制，而且在这种取向下孪生很难发生，所以晶体很快就会出现脆性断裂。在温度超过250时，镁晶体中的附加滑移面开始起作用，塑性变形能力变强。（3）耐蚀性差，镁具有很高的化学活泼性

16、，其平衡电位很低，与不同类金属接触时易发生电偶腐蚀，并充当阳极作用。在室温下，镁表面与空气中的氧发生反应，形成氧化镁薄膜，但由于氧化镁薄膜比较疏松，其致密系数仅为0.79，即镁氧化后生成氧化镁的体积缩小， 因此耐蚀性很差。（4）绝对强度偏低，尤其是高温强度和高温抗蠕变性能较差。镁合金的发展趋势： （1）耐热镁合金，耐热性差是阻碍镁合金广泛应用的主要原因之一,当温度升高时,它的强度和抗蠕变性能大幅度下降,使它难以作为关键零件(如发动机零件) 材料在汽车等工业中得到更广泛的应用。美国、日本、加拿大、以色列等国家均将耐热镁合金的研究开发作为重要的突破方向 ,其目标是在不大幅度提高成本的前提下,提高镁

17、合金150 - 250 下的高温强度和蠕变性能,同时,具有良好压铸性能和耐蚀性。目前最广泛应用的商业化AZ(Mg - Al - Zn)系、AM(Mg - Al - Mn) 系Mg - Al 基镁合金的高温蠕变性能较差,温度高于150 后的拉伸强度迅速降低。为改善Mg - Al 基镁合金的高温性能,可以通过加入合金元素改善析出相的特性(晶体结构、形态及热稳定性) 来提高其耐热性能。RE 比Si 能更有效地增大Mg - Al 合金的蠕变强度,Mg - Al - RE 系的AE42 、AE41 镁合金具有比AS 系镁合金更高的蠕变强度,可以应用于压铸【18】 18】。（2）耐蚀镁合金，严格限制镁合金

18、中的Fe 、Cu、Ni 等杂质元素的含量、控制Fe/ Mn 比,得到的高纯镁合金具有很好的耐蚀性,例如，高纯AZ91HP 镁合金在盐雾试验中的耐蚀性大约是AZ91C 的100 倍,超过了压铸铝合金A380 ,比低碳钢还好得多镁合金在熔炼浇注过程中容易发生剧烈的氧化燃烧。实践证明,熔剂保护法和SF6 、SO2 、CO2 、Ar等气体保护法是行之有效的阻燃方法,但它们在应用中会产生严重的环境污染、降低合金性能并加大设备投资。（3）阻燃镁合金，镁合金在熔炼浇注过程中容易发生剧烈的氧化燃烧。实践证明,熔剂保护法和SF6 、SO2 、CO2 、Ar等气体保护法是行之有效的阻燃方法,但它们在应用中会产生严

19、重的环境污染降低合金性能并加大设备投资。 （4） 高强度镁合金，日本东北大学金属材料研究所开发出了具有高强度、高延展性、耐热、质轻的镁合金。这种镁合金的强度至少是以往镁合金的2. 5 倍,是目前世界上强度最高的镁合金。这种镁合金是在急速冷却条件下将镁、锌和钇的金属粉末按一定比例混合,用高压挤压而成,其中镁、锌、钇的原子数比例为9712 。这一构成使新的镁合金既具有高强度又富有延展性,在横截面积为1mm2 的新型镁合金丝上挂600kg 的重物也不会变形,其耐热强度是目前镁合金的2 倍以上,同时也特别易于加工。另外,经过精炼加工后,还可把镁从该合金中再单独分离出来,非常利于循环利用。预计这种镁合金

20、除广泛用于家电产品外,还将在机器人、人造卫星等要求材料既轻又结实的领域发挥巨大威力。 （5）变形镁合金，虽然目前铸造镁合金产品用量大于变形镁合金,但经变形的镁合金材料可获得更高的强度,更好的延展性及更多样化的力学性能,可以满足不同场合结构件的使用要求。因此,开发变形合金,是其未来更长远的发展趋势。新型变形镁合金及其成型工艺的开发,已受到国内外材料工作者的高度重视。美国成功研制了各种系列的变形镁合金产品,如通过挤压和热处理后的ZK60 高强变形镁合金,其强度及断裂韧性可相当于时效状态的A17075 或A17475 合金,而采用快速凝固(RS) + 粉末冶金( PM) + 热挤压工艺开发的Mg -

21、 Al - Zn 系EA55RS 变形镁合金,成为迄今报道的性能最佳的镁合金,其性能不但大大超过常规镁合金,比强度甚至超过7075 铝合金,且具有超塑性(300 ,436 %) ,腐蚀速率与2024 - T6 铝合金相当,还可同时加人Si 、C、P 等增强相,成为先进镁合金材料的典范。日本1999 年开发出超高强度的IMMg - Y系变形镁合金材料,以及可以冷压加工的镁合金板材。英国开发出Mg - AI - B 挤压镁合金,用于Magnox 核反应堆燃料罐。以色列最近也研制出用于航天飞行器上的兼具优良力学性能和耐蚀性能的变形镁合金,法国和俄罗斯开发了鱼雷动力源变形镁合金阳极薄板材料。第3章 镁

22、合金超塑性发展现状与面临的问题3.1 镁合金超塑性数值模拟、发展现状及成果Takuda【22】 等在Erichsen 试验和拉深试验的基础上，用有限元对镁合金AZ31 板料的可成形性进行了分析。Palaniswamy【23】 对AZ31B 高温板料拉伸成形进行了有限元模拟，得出极限拉深率随温度而增加，200 时达到最大极限拉伸率。S.C.V. Lim【24】 对镁合金AZ31 平面锻造成形进行了模拟，以长100 mm、宽20 mm、厚5 mm 的坯料为例，通过分析计算并确定了锻造所需的载荷和应变的分布。应变分布图能预测微结构进化，晶粒尺寸依赖于应变，在高应变区可观察到小晶粒，在低应变区具有相对

23、大的晶粒。杜志惠【25】 等运用deform3D对MB26镁合金复杂结构件的等温模锻进行了数值模拟，对加工缺陷进行了预测，并提出了解决方法。从文献可知，至今鲜有对镁合金复杂结构件的超塑性成型数值模拟【26-30】 。3.2 镁合金超塑性的发展方向【31-39】 31-39】（1）工艺程序的简单化。这样将有助改变当前以获取超细晶粒获取镁合金超塑性的单一格局，提高镁合金超塑性的工业化进程，降低工业成本。目前对镁合金超塑性的研究还被限制在超细晶粒的范畴之内，获得超细晶粒是一个复杂的过程，在这个过程中能源消耗大、成本较高，很难在工业上大规模的应用。如果可以经过简单的工艺流程就能使镁合金获得良好的超塑性

24、，这样便可以很好的扩大镁合金的应用及工业化进程。随着研究的深入，有文献提出可以对镁合金进行简单的处理即可获得较好的超塑性。 KimW J 研究Mg-Al-Ca 合金时发现，由电磁铸造(EMC) 加电磁搅拌(EMS) 熔制的AZ31 镁合金通过热挤压之后，在573K和673K、1.0×10-2S-1 的应变速率下，合金的伸长率超过400%，体现出了良好的超塑性。（2）低温超塑性。在较低的温度下，获得合金的超塑性将有利于节约能源，防止镁合金的高温氧化，提高超塑性变形后的合金质量。低温超塑性(LTSP) 是指合金在低于0.5Tm(Tm 为合金的熔点)的温度下，能够体现出超塑性。对镁合金而言

25、，在室温下其塑性极差，一些商用铸态镁合金，其在室温下的伸长率不超过20%，在573K 时，其伸长率也不过在30%-40% 之间。能否使镁合金在低温下获得超塑性引起了科研工作者的兴趣。Chuvildeev V N 等在对ZK60、AZ91两种镁合金的研究中发现，通过等径角向挤压处理，合金可以得到均匀的微晶结构和非平衡晶界，合金ZK60、AZ91 在3.0×10-3S-1 的应变速率下，ZK60 在533K的极限伸长率可以达到810%，而AZ91 在573K 时的极限伸长率可达到570%。KimW J 等2 对AZ61 箔材通过不同的速度碾压塑性变形，在523K、3.0×10-

26、4S-1 的应变速率下，箔材的极限伸长率达到850%。（3）高应变速率超塑性。低的应变速率，增加合金的变形时间，限制了超塑性的工业应用；高的变速率，可以提高镁合金的变形速度，提高生产效率，减少变形过程能源消耗。一般认为高速超塑性(HSRSP) 是指应变速率不小于1.0×10-3S-1 时，合金可以体现出超塑性。超塑性应变速率关系着合金超塑性变形的快慢，高的应变速率可以提高合金的变形速度、节约能源及提高生产效率。但是高应变速率容易导致合金的过早颈缩断裂，反过来制约了合金的塑性变形，如何能够使合金在高的应变速率下，获得好的超塑性一度成为材料研究的一个热点。WangQ D 等在对箔材AZ9

27、1 的研究中发现，在623K、1.0×10-3S-1 的应变速率下，箔材AZ91 的极限伸长率可达到455%。3.3 关于镁合金超塑性及其数值模拟的看法【40-41】 40-41】镁合金室温塑性加工能力较差，但是，在特定的变形温度、速度及组织状态条件下，镁合金具有很高的塑性，甚至出现明显的超塑性。利用镁合金的超塑性，可使复杂构件的变形加工顺利进行，并且流动性高，填充性好，而且流变应力很低，可以在较小吨位的设备下完成。 随着计算机科学的快速发展，计算机广泛应用于各个行业，包括制造与生产，众多的CAD/CAE软件可以方便地实现建模与数值模拟，大大缩短产品研发周期，降低研发生产成本，经济效

28、益明显。参考文献1 宇航材料工艺，2011，（2）：3-7.2余琨,黎文献,王日初,等. 变形镁合金的研究、开发及应用J . 中国有色金属学报,2003 ,13 (2) :277 -288.3 曾小勤,王渠东,吕宜振,等. 镁合金应用新进展J . 铸造,1998(12) :50 - 53.4 周江. ZK61M镁合金锻件锻造工艺研究J. 轻合金加工技术，2010，38(5)：36-38.5 中国科学院. 轻合金技术新进展 R . 北京:科学出版社,2002.6 王渠东,吕宜振,曾小勤. 稀土在铸造镁合金中的应用J . 特种铸造及有色合金,1999 (1) :40 44.7 朱建国镁合金的开发与

29、应用稀土学报，2002(1)8 师昌绪，李恒德，王淀佐，等.加速我国金属镁工业发展的建议.材料导报，2001,15:5-6.9 王渠东，丁文江.镁合金会研究开发与展望.世界有色金属，2004，（7）：8-11.萨维茨基M;张宝琪;孙志群稀土金属学 197510 朱建国镁合金的开发与应用 2002(01)11 张丁非.彭建.丁培道.潘复生镁及镁合金的资源、应用及其发展现状期刊论文-材料导报2004,18(4)12 吉泽升.李德锋.孙荣滨镁合金压铸技术的发展现状期刊论文-轻合金加工技术2001,29(12)13 陈晓.傅高升.钱匡武铸造镁合金的研究与发展现状期刊论文-铸造技2004,25(11)1

30、4 Avedesian M M ,Baker H eds. Magnesium and Magnesium AlloysM . Ohio :Material s Park ,1999.15 Shigetoshi Sugimoto. Applications of Magnesium Alloys to Automobile Part s. In IMA253 Program Committee C . J apan Yamaguchi ,1996 :38244.16 Polmear IJ . Magnesium Alloys and ApplicationsJ . Materials Scie

31、nce & Technology ,1994 (1) :1216.17W ei L Y. Development of m icro structure in cast M g2A l2RE al2loys J . M aterials Science & Techno logy, 1996, (9) : 7412742.18 Petterson G, W estengen H, Hcp ier R. M icro structure of p res2sure die cast M g4% A l alloy modified w ith rare earth additio

32、nsJ . M aterial Science & Engineering, 1996, (1) : 1152120.19 Sanschgrin A , Tremblay R ,Argers R et al . Mechanical Properties and Microsturcture of New Magnesium2Lit hium Base Al2loysJ . Mater Sci & Eng ,1996 ,A220 (12) :69271.20 Zeumer N ,Honsel A G. Magnesium Alloys in New Aeronautic Equ

33、ipment M . In Mordike B L and Hehmann F eds , Magnesium Alloys and Their Applications. Verlag : Informations gesell schaft ,1992.21 H. Takuda, T. Yoshii, N. Hatta. Finite-element analysis of the formability of a magnesium-based alloyAZ31 sheetJ. Journal of Materials Processing Technology, 1999, 89-90:135-140.22 H. Palaniswamy, G. Naile, T. Altan. Finite element simulation of magnesium alloy sheet forming atelevated temperaturesJ. Journal of Materials Processing Technology, 2004, 146:52-60.23 S. C